[论文解读] Spatially resolving amplitude and phase of light with a reconfigurable photonic integrated circuit

Johannes Bütow, Jörg S. Eismann+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 38被引用 28

一句话总结

本文提出一种可重构的集成光子电路（PIC），利用具有光栅耦合器像素的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格，实现对自由空间光束振幅和相位的空间分辨测量。通过使用单一近轴参考光束进行校准，该方法可在多种偏振态下实现高精度、波长鲁棒的振幅与相位测量，即使在组件非理想的情况下也能实现复杂场分布的高保真重建。

ABSTRACT

Photonic integrated circuits (PICs) play a pivotal role in many applications. Particularly powerful are circuits based on meshes of reconfigurable Mach-Zehnder interferometers as they enable active processing of light. Various possibilities exist to get light into such circuits. Sampling an electromagnetic field distribution with a carefully designed free-space interface is one of them. Here, a reconfigurable PIC is used to optically sample and process free-space beams so as to implement a spatially resolving detector of amplitudes and phases. In order to perform measurements of this kind we develop and experimentally implement a versatile method for the calibration and operation of such integrated photonics based detectors. Our technique works in a wide parameter range, even when running the chip off the design wavelength. Amplitude, phase and polarization sensitive measurements are of enormous importance in modern science and technology, providing a vast range of applications for such detectors.

研究动机与目标

• 开发一种基于可编程集成光子电路的空间分辨振幅与相位检测器，用于自由空间光场。
• 解决集成光子探测器在组件非理想（特别是分束器偏离50:50比例）情况下的校准挑战。
• 通过利用光栅耦合器的取向定义的偏振基底，实现偏振敏感测量。
• 在宽参数范围内（包括非设计波长和器件性能不理想）实现鲁棒运行。
• 为纳米测量学和光束分析等应用提供一种无需校准、全集成的定量振幅与相位测量平台。

提出的方法

• 探测器采用16像素的自由空间接口，由径向排列的光栅耦合器组成，每个耦合器对特定偏振方向敏感。
• 输入光束通过这些光栅耦合器耦合进入PIC，并被引导至由15个可重构马赫-曾德尔干涉仪（MZI）构成的二叉树形网络。
• 通过氮化钛加热器控制MZI中的相位延迟，实现可编程的干涉与波前调控。
• 采用多参数拟合算法，结合测量到的输出强度与传输矩阵模型，推断未知的输入场振幅与相位。
• 通过单一近轴参考光束进行校准，确定芯片上的参数，如MZI的反射率和单位电压下的相位延迟。
• 在测量过程中，采用相同的拟合框架，将输入场的振幅与相位作为自由参数，实现复杂场分布的重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 可重构的集成光子电路能否准确测量自由空间光场的空间振幅与相位分布？
• RQ2 当分束器偏离理想50:50比例时，该探测器如何实现有效校准？
• RQ3 该校准与测量方法在偏离设计波长条件下能容忍多大程度的性能偏差？
• RQ4 系统能否仅利用光栅耦合器的固有取向作为基底，实现偏振敏感测量？
• RQ5 当应用于不同偏振态（包括圆偏振与线偏振）的光束时，该方法的鲁棒性如何？

主要发现

• 系统成功重建了右旋圆偏振高斯光束的振幅与相位分布，测量值与理论值高度一致。
• 对左旋圆偏振、x偏振与y偏振光束的测量结果在所有测试偏振态下均与理论预测高度一致。
• 即使分束器显著偏离50:50比例，校准方法仍表现出可靠的性能，证明了对制造缺陷的鲁棒性。
• 该方法在宽波长范围内（包括非设计波长）均能有效运行，且无需重新校准。
• 仅使用单一参考光束进行校准，实现了快速、自动化的系统设置，且无需活动部件，具有机械稳定性。
• 该方法具备可扩展性，并与未来集成偏振分束光栅耦合器及片上光电探测器兼容，可实现系统全尺寸微型化。